JP2009092535A - Optical displacement gauge - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、対象物に照射した光をイメージセンサで検出し、対象物までの距離や対象物の変位を計測する光学式変位計に関するものである。 The present invention relates to an optical displacement meter that detects light applied to an object with an image sensor and measures the distance to the object and the displacement of the object.
対象物に照射した光をイメージセンサで検出し、対象物までの距離や対象物の変位を計測する光学式変位計としては、図３に示すように、対象物１１０の表面にレーザ光を照射するレーザ光源１０１と、受光レンズ１０２とリニアイメージセンサ１０３とを備えた一次元撮像カメラ１０４とを備えた光学式変位計が知られている（たとえば、特許文献１）。 As an optical displacement meter that detects the light irradiated to the object with an image sensor and measures the distance to the object and the displacement of the object, the surface of the object 110 is irradiated with laser light as shown in FIG. There is known an optical displacement meter including a laser light source 101, a one-dimensional imaging camera 104 including a light receiving lens 102 and a linear image sensor 103 (for example, Patent Document 1).
この光学式変位計では、対象物１１０の表面にレーザ光により形成されたスポットの、一次元撮像カメラ１０４のリニアイメージセンサ１０３上の結像位置より求まる、一次元撮像カメラ１０４に対する当該スポットの方向と、レーザ光源１０１に対する当該スポットの方向（レーザの照射方向）とに基づいた三角測量によって、対象物１１０の表面のスポット形成箇所までの距離や当該スポット形成箇所の変位を測定する。
前述した特許文献１記載の技術によれば、対象物表面上の単一箇所についての距離や変位しか計測できないために、対象物の傾きなどを計測することができない。
一方、このような光学式変位計を複数用いて、対象物表面上の複数箇所の距離や変位を計測するようにすれば、対象物の傾きなども検出することができるようになるが、このようにすると、装置の複雑化やコスト高を招くことになる。
そこで、本発明は簡易な構成において、対象物表面上の複数箇所の距離や変位を計測することのできる光学式変位計を提供することを課題とする。
According to the technique described in Patent Document 1 described above, since only the distance and displacement of a single location on the surface of the object can be measured, the inclination of the object cannot be measured.
On the other hand, if a plurality of such optical displacement meters are used to measure the distance and displacement at a plurality of locations on the surface of the object, the inclination of the object can be detected. In this case, the apparatus becomes complicated and expensive.
Then, this invention makes it a subject to provide the optical displacement meter which can measure the distance and displacement of several places on a target object surface with simple structure.
前記課題達成のために、本発明は、対象物上の点の変位または当該点までの距離を測定する光学式変位計に、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を、前記対象物に向かう相互に向きの異なる複数の光線に分岐する光分岐器と、前記対象物を撮影する１または複数のイメージセンサと、前記光分岐器によって分岐された複数の光線によって前記対象物上に各々形成された複数の光点の位置座標を、前記イメージセンサが撮影した画像中の当該光点の位置に基づいて算定する測位手段とを備えたものである。 In order to achieve the above object, the present invention provides a laser light source for emitting laser light to an optical displacement meter that measures the displacement of a point on an object or the distance to the point, and a laser emitted from the laser light source. An optical branching device that splits light into a plurality of light beams having different directions toward the object, one or more image sensors that photograph the object, and a plurality of light beams branched by the optical branching device. And positioning means for calculating the position coordinates of a plurality of light spots formed on the object based on the positions of the light spots in the image taken by the image sensor.
ここで、このような光学式変位計は、前記測位手段において、前記複数の光点の位置座標より、前記対象物の傾きを算定するように構成してもよい。
このように、本発明は、光学式変位計に、レーザ光を前記対象物に向かう相互に向きの異なる複数の光線に分岐する光分岐器を設けて、分岐された複数の光線によって前記対象物上に各々形成された複数の光点の位置座標を算定するようにしているので、単一のレーザ光源を用いた簡易な構成によって、対象物表面上の複数箇所の距離や変位を計測することができる。
Here, such an optical displacement meter may be configured such that the positioning means calculates the inclination of the object from the position coordinates of the plurality of light spots.
As described above, the present invention provides the optical displacement meter with an optical branching device that branches the laser light into a plurality of light beams having different directions toward the object, and the object is obtained by the plurality of branched light beams. Since the position coordinates of a plurality of light spots formed above are calculated, the distance and displacement of multiple locations on the surface of the object can be measured with a simple configuration using a single laser light source. Can do.
なお、以上の光学式変位計は、より具体的には、たとえば、前記光分岐器において、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を、前記対象物に向かう相互に向きの異なる三以上の光線に分岐し、前記イメージセンサをリニアイメージセンサとすると共に、前記測位手段において、前記光分岐器によって分岐された複数の光線によって前記対象物上に各々形成された複数の光点の二次元位置座標を、前記リニアイメージセンサが撮影した画像中の当該光点の位置に基づいて算定するように構成してもよい。または、たとえば、前記光分岐器において、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を、前記対象物に向かう相互に向きの異なる三以上の光線に分岐し、前記イメージセンサをエリアイメージセンサとすると共に、前記測位手段において、前記光分岐器によって分岐された三以上の光線によって前記対象物上に各々形成された三以上の光点の三次元位置座標を、前記エリアイメージセンサが撮影した画像中の当該光点の位置に基づいて算定するように構成してもよい。 More specifically, the above optical displacement meter, for example, in the optical branching device, converts the laser light emitted from the laser light source into three or more light beams having different directions toward the object. The image sensor is branched and the image sensor is a linear image sensor, and in the positioning means, two-dimensional position coordinates of a plurality of light spots respectively formed on the object by a plurality of light beams branched by the light splitter are obtained. The linear image sensor may be configured to calculate based on the position of the light spot in the image captured by the linear image sensor. Or, for example, in the optical branching device, the laser light emitted from the laser light source is branched into three or more light beams having different directions toward the object, and the image sensor is an area image sensor, In the positioning means, the three-dimensional position coordinates of the three or more light spots respectively formed on the object by the three or more light beams branched by the optical branching device in the image taken by the area image sensor. You may comprise so that it may calculate based on the position of a light spot.
以上のように、本発明によれば、簡易な構成において、対象物表面上の複数箇所の距離や変位を計測することのできる光学式変位計を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide an optical displacement meter that can measure the distance and displacement of a plurality of locations on the surface of an object with a simple configuration.
以下、本発明の実施形態を説明する。
まず、第１の実施形態について説明する。
図１に、本第１実施形態に係る光学式変位計１の構成を示す。
図示するように、光学式変位計１は、操作部１１、表示部１２、制御部１３、レーザ光源１４、スプリッタ１５、測定処理部１６、一次元撮像カメラ１７とを有する。また、一次元撮像カメラ１７は、受光レンズ１８とリニアイメージセンサ１９とを有する。
このような構成において、制御部１３は、操作部１１でユーザからの測定開始操作を受け付けたならば、レーザ光源１４を駆動し、レーザ光を出射させる。レーザ光源１４から出射されたレーザ光は、スプリッタ１５で向きの異なる二つの光線に分岐され、それぞれ対象物に出射され、対象物２の表面上の異なる二つの位置にそれぞれ光スポットを形成する。
Embodiments of the present invention will be described below.
First, the first embodiment will be described.
FIG. 1 shows a configuration of an optical displacement meter 1 according to the first embodiment.
As shown in the figure, the optical displacement meter 1 includes an operation unit 11, a display unit 12, a control unit 13, a laser light source 14, a splitter 15, a measurement processing unit 16, and a one-dimensional imaging camera 17. The one-dimensional imaging camera 17 includes a light receiving lens 18 and a linear image sensor 19.
In such a configuration, when the operation unit 11 receives a measurement start operation from the user, the control unit 13 drives the laser light source 14 to emit laser light. The laser light emitted from the laser light source 14 is branched into two light beams having different directions by the splitter 15, emitted to the object, and forms light spots at two different positions on the surface of the object 2.
ここで、スプリッタ１５としては、光回折格子を用いた光スプリッタや、プリズム型やプレート型のビームスプリッタや、ハーフミラーなどを用いることができる。
さて、一次元撮像カメラ１７において、対象物２の表面上に形成された二つの光スポットの像は受光レンズ１８によって、リニアイメージセンサ１９の受光面に結像される。
そして、測定処理部１６は、リニアイメージセンサ１９の光検出パターンより、リニアイメージセンサ１９の受光面上の二つの光スポットの結像位置を算定し、算定した結像位置より、対象物２の表面上の二つの光スポットの、一次元撮像カメラ１７に対する方向を算定する。そして、二つの光スポットの、一次元撮像カメラ１７に対する方向と、スプリッタ１５からの二つの光線の出射方向と、スプリッタ１５の位置と、一次元撮像カメラ１７の位置とにより、対象物２の表面上の二つの光スポットの位置各々の二次元座標を、三角測量によって算定する。ここでは、図中に示したｘ、ｚ方向の座標（x1,z1),(x2,z2)を、光スポットの二次元座標として算定する。また、算定した対象物２の表面上の二つの光スポットの位置各々の二次元座標（x1,z1),(x2,z2)より、対象物２のｘ方向についての傾斜(z2-z1)/(x2-x1)を算定する。ただし、常にx1＜x2となることが保証されるように、対象物２の最大傾きに対して、スプリッタ１５で分岐する二つの光線の方向は設定する。
Here, as the splitter 15, an optical splitter using an optical diffraction grating, a prism-type or plate-type beam splitter, a half mirror, or the like can be used.
In the one-dimensional imaging camera 17, the images of the two light spots formed on the surface of the object 2 are formed on the light receiving surface of the linear image sensor 19 by the light receiving lens 18.
Then, the measurement processing unit 16 calculates the imaging positions of the two light spots on the light receiving surface of the linear image sensor 19 from the light detection pattern of the linear image sensor 19, and calculates the object 2 from the calculated imaging position. The directions of the two light spots on the surface with respect to the one-dimensional imaging camera 17 are calculated. Then, the surface of the object 2 depends on the direction of the two light spots with respect to the one-dimensional imaging camera 17, the emission direction of the two light beams from the splitter 15, the position of the splitter 15, and the position of the one-dimensional imaging camera 17. The two-dimensional coordinates of each of the upper two light spot positions are calculated by triangulation. Here, the coordinates (x1, z1), (x2, z2) in the x and z directions shown in the figure are calculated as the two-dimensional coordinates of the light spot. In addition, from the calculated two-dimensional coordinates (x1, z1), (x2, z2) of the two light spot positions on the surface of the object 2, the inclination (z2-z1) / Calculate (x2-x1). However, the directions of the two light beams branched by the splitter 15 are set with respect to the maximum inclination of the object 2 so that x1 <x2 is always guaranteed.
そして、算定した対象物２の表面上の二つの光スポットの位置各々の二次元座標と、対象物２のｘ方向についての傾斜とを表示装置に表示する。
以上、本発明の第１実施形態について説明した。
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図２に、本第２実施形態に係る光学式変位計１の構成を示す。
図示するように、本第２実施形態に係る光学式変位計１は、図１に示した第１実施形態に係る光学式変位計１の一次元撮像カメラ１７に代えて、二つの二次元撮像カメラ１０９を備えると共に、スプリッタ１５において、レーザ光源１４から出射されたレーザ光を、向きの異なる三つの光線に分岐し、それぞれ対象物２に出射するようにしたものである。なお、このような三つの光線にレーザ光を分岐するスプリッタ１５は、たとえば、レーザ光を二つの光線に分岐するスプリッタ１５を複数段設けることなどにより実現できる。また、二次元撮像カメラ１０９は、受光レンズ１８と、エリアイメージセンサ１１０とにより構成されるものである。
Then, the calculated two-dimensional coordinates of the positions of the two light spots on the surface of the object 2 and the inclination of the object 2 in the x direction are displayed on the display device.
The first embodiment of the present invention has been described above.
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 2 shows the configuration of the optical displacement meter 1 according to the second embodiment.
As shown in the drawing, the optical displacement meter 1 according to the second embodiment has two two-dimensional imaging instead of the one-dimensional imaging camera 17 of the optical displacement meter 1 according to the first embodiment shown in FIG. In addition to the camera 109, the splitter 15 splits the laser light emitted from the laser light source 14 into three light beams having different directions and emits them to the object 2. Note that the splitter 15 that splits the laser light into three light beams can be realized, for example, by providing a plurality of stages of splitters 15 that split the laser light into two light beams. The two-dimensional imaging camera 109 is constituted by the light receiving lens 18 and the area image sensor 110.
さて、一次元撮像カメラ１７において、対象物２の表面上に形成された三つの光スポットの像は受光レンズ１８によって、エリアイメージセンサ１１０の受光面に結像される。
そして、測定処理部１６は、エリアイメージセンサ１１０の二次元光検出パターンより、エリアイメージセンサ１１０の受光面上の三つの光スポットの結像位置を算定し、算定した結像位置より、対象物２の表面上の三つの光スポットの、二つの二次元撮像カメラ１０９に対する方向を算定する。そして、三つの光スポットの、二つの二次元撮像カメラ１０９に対する方向と、二つの二次元撮像カメラ１０９の位置とにより、三角測量によって、対象物２の表面上の三つの光スポットの位置各々の三次元座標を算定する。ここでは、図中に示したｘ、ｚ、ｚ方向の三つの光スポットの座標（x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3)を、当該三つの光スポットの三次元座標として算定する。ただし、二つの二次元撮像カメラ１０９間における、三つの光スポットの同定のために、たとえば、常にx1＜x2＜x3となることが保証されるように、対象物２の最大傾きに対して、スプリッタ１５で分岐する三つの光線の方向は設定するようにする。また、三つの光スポットが常に直線上に並ばないようにスプリッタ１５で分岐する三つの光線の方向は設定する。
In the one-dimensional imaging camera 17, the images of the three light spots formed on the surface of the object 2 are formed on the light receiving surface of the area image sensor 110 by the light receiving lens 18.
Then, the measurement processing unit 16 calculates the imaging positions of the three light spots on the light receiving surface of the area image sensor 110 from the two-dimensional light detection pattern of the area image sensor 110, and calculates the object from the calculated imaging position. The directions of the three light spots on the two surfaces with respect to the two two-dimensional imaging cameras 109 are calculated. Then, by the triangulation by the direction of the three light spots with respect to the two two-dimensional imaging cameras 109 and the positions of the two two-dimensional imaging cameras 109, each of the positions of the three light spots on the surface of the object 2 is determined. Calculate 3D coordinates. Here, the coordinates (x1, y1, z1), (x2, y2, z2), (x3, y3, z3) of the three light spots in the x, z, and z directions shown in FIG. Calculate as the 3D coordinates of the spot. However, for the identification of the three light spots between the two two-dimensional imaging cameras 109, for example, in order to guarantee that x1 <x2 <x3 always, The directions of the three light beams branched by the splitter 15 are set. The directions of the three light beams branched by the splitter 15 are set so that the three light spots are not always aligned on a straight line.
また、算定した対象物２の表面上の二つの光スポットの位置各々の三次元座標（x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3)より、対象物２のx 、ｙ方向それぞれについての傾斜を、たとえば、（x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3)の３点を含む平面の法線ベクトルｍ
ｍ=（(y2-y1)(z3-z1)-(y3-y1)(z2-z1), (z2-z1)(x3-x1)-(z3-z1)(x2-x1), (x2-x1)(y3-y1)-(x3-x1)(y2-y1)）
を求めることにより算出する。
From the calculated three-dimensional coordinates (x1, y1, z1), (x2, y2, z2), (x3, y3, z3) of the two light spot positions on the surface of the object 2, the object 2 The normal vector m of the plane including three points of (x1, y1, z1), (x2, y2, z2), (x3, y3, z3)
m = ((y2-y1) (z3-z1)-(y3-y1) (z2-z1), (z2-z1) (x3-x1)-(z3-z1) (x2-x1), (x2- x1) (y3-y1)-(x3-x1) (y2-y1))
Is calculated by obtaining.
そして、算定した対象物２の表面上の３つの光スポットの位置各々の三次元座標と、対象物２のｘ、ｙ方向それぞれについての傾斜とを表示装置に表示する。
以上、本発明の第２の実施形態について説明した。
なお、本第２実施形態は、二次元撮像カメラ１０９を一つだけ設け、三つの光スポットの、二次元撮像カメラ１０９に対する方向と、スプリッタ１５からの三つの光線の出射方向と、スプリッタ１５の位置と、二次元撮像カメラ１０９の位置とにより、対象物２の表面上の３つの光スポットの位置各々の三次元座標を、三角測量によって算定するように構成してもよい。
Then, the calculated three-dimensional coordinates of the positions of the three light spots on the surface of the object 2 and the inclination of the object 2 in the x and y directions are displayed on the display device.
The second embodiment of the present invention has been described above.
In the second embodiment, only one two-dimensional imaging camera 109 is provided, the directions of the three light spots with respect to the two-dimensional imaging camera 109, the emission directions of the three rays from the splitter 15, and the splitter 15 Depending on the position and the position of the two-dimensional imaging camera 109, the three-dimensional coordinates of the positions of the three light spots on the surface of the object 2 may be calculated by triangulation.
以上、本発明の実施形態について説明した。
以上のように、本実施形態に係る光学式変位計１によれば、レーザ光を前記対象物２に向かう相互に向きの異なる複数の光線に分岐するスプリッタ１５を設け、分岐された複数の光線によって前記対象物２上に各々形成された複数の光点の座標を算定するようにしたので、単一のレーザ光源１４を用いた簡易な構成によって、対象物表面上の複数箇所の距離や変位や対象物２の傾きを計測することができる。
The embodiment of the present invention has been described above.
As described above, according to the optical displacement meter 1 according to this embodiment, the splitter 15 that branches the laser light into the plurality of light beams having different directions toward the object 2 is provided, and the plurality of light beams branched. Thus, the coordinates of a plurality of light spots respectively formed on the object 2 are calculated by the above, and therefore, the distance and displacement of a plurality of locations on the object surface can be obtained with a simple configuration using a single laser light source 14. And the inclination of the object 2 can be measured.
１…光学式変位計、２…対象物、１１…操作部、１２…表示部、１３…制御部、１４…レーザ光源、１５…スプリッタ、１６…測定処理部、１７…一次元撮像カメラ、１８…受光レンズ、１９…リニアイメージセンサ、１０１…レーザ光源、１０９…二次元撮像カメラ、１１０…エリアイメージセンサ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Optical displacement meter, 2 ... Object, 11 ... Operation part, 12 ... Display part, 13 ... Control part, 14 ... Laser light source, 15 ... Splitter, 16 ... Measurement processing part, 17 ... One-dimensional imaging camera, 18 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Light-receiving lens, 19 ... Linear image sensor, 101 ... Laser light source, 109 ... Two-dimensional imaging camera, 110 ... Area image sensor.
Claims (4)
レーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を、前記対象物に向かう相互に向きの異なる複数の光線に分岐する光分岐器と、
前記対象物を撮影する１または複数のイメージセンサと、
前記光分岐器によって分岐された複数の光線によって前記対象物上に各々形成された複数の光点の位置座標を、前記イメージセンサが撮影した画像中の当該光点の位置に基づいて算定する測位手段とを有することを特徴とする光学式変位計。
An optical displacement meter that measures the displacement of a point on the object or the distance to the point,
A laser light source for emitting laser light;
An optical branching device that branches the laser light emitted from the laser light source into a plurality of light beams having different directions toward the object;
One or more image sensors for photographing the object;
Positioning that calculates the position coordinates of a plurality of light spots respectively formed on the object by a plurality of light beams branched by the light splitter based on the positions of the light spots in an image taken by the image sensor. And an optical displacement meter.
前記測位手段は、前記複数の光点の位置座標より、前記対象物の傾きを算定することを特徴とする光学式変位計。
The optical displacement meter according to claim 1,
The positioning means calculates an inclination of the object from position coordinates of the plurality of light spots.
前記光分岐器は、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を、前記対象物に向かう相互に向きの異なる三以上の光線に分岐し、
前記イメージセンサはリニアイメージセンサであって、
前記測位手段は、前記光分岐器によって分岐された複数の光線によって前記対象物上に各々形成された複数の光点の二次元位置座標を、前記リニアイメージセンサが撮影した画像中の当該光点の位置に基づいて算定することを特徴とする光学式変位計。
The optical displacement meter according to claim 1 or 2,
The optical branching device branches the laser light emitted from the laser light source into three or more light beams having different directions toward the object,
The image sensor is a linear image sensor,
The positioning means includes a light spot in an image taken by the linear image sensor, which is a two-dimensional position coordinate of a plurality of light spots formed on the object by a plurality of light beams branched by the light splitter. An optical displacement meter characterized in that it is calculated based on the position.
前記光分岐器は、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を、前記対象物に向かう相互に向きの異なる三以上の光線に分岐し、
前記イメージセンサはエリアイメージセンサであって、
前記測位手段は、前記光分岐器によって分岐された三以上の光線によって前記対象物上に各々形成された三以上の光点の三次元位置座標を、前記エリアイメージセンサが撮影した画像中の当該光点の位置に基づいて算定することを特徴とする光学式変位計。 The optical displacement meter according to claim 1 or 2,
The optical branching device branches the laser light emitted from the laser light source into three or more light beams having different directions toward the object,
The image sensor is an area image sensor,
The positioning means includes the three-dimensional position coordinates of three or more light spots respectively formed on the object by three or more light beams branched by the light splitter, in the image taken by the area image sensor. An optical displacement meter that is calculated based on the position of a light spot.
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